隔离开关位置辅助判断技术比较研究

谢青洋，程鹏，白翠芝，杨丽，陈君

（1.云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南 昆明 650217； 2.云南电网有限责任公司昆明供电局，云南 昆明 650011； 3.云南电网有限责任公司云溪供电局，云南 玉溪 653100； 4.云南电网有限责任公司普洱供电局，云南 普洱 665000）

0 前言

近年来随着数字化转型的深入，电网公司不断推动智能设备和相关新技术的研究和应用，为进一步实现远方巡视、远方操作和无人化生产提供了基础。在这些新技术的试点中，由于变电站程序化操作表现出“大幅度提高现场倒闸操作效率”的特点[1]，得到了各个供电局的重点关注。

变电站程序化操作是指由计算机、智能电子装置、操作机构等按照严格的操作条件、规范的操作顺序，代替现场人工自动完成一系列设备的倒闸操作任务[2]。倒闸操作中最大的设备风险是分合闸不到位，这会引发触头发热、拉弧，存在一次开关设备烧毁或爆炸的风险，所以在程序化操作中有一条关键的操作条件——“双确认”原则，即一次设备在远方操作时，应有至少两个非同样原理或非同源指示发生对应变化，且所有这些指示均已发生对应变化，方可确认该设备已操作到位。

目前，程序化操作只考虑“运行、热备用、冷备用”三个状态间的倒闸操作，涉及操作的一次设备主要是断路器和隔离开关。工程实践上，一般选择断路器和隔离开关的分合位置辅助接点作为“双确认”的主判据，选择电流电压等遥测量作为断路器位置的辅判据。但是由于隔离开关位置辅助判断技术较多，如何选择合适的隔离开关分合位置辅助判断技术就成为了程序化操作技术推广中的难题。

根据位置辅助判断技术基本原理的类别，本文将对微动开关、传感器类和视频图像等三大主流技术的基本原理、典型架构、通信方式、安装方式等进行研究，分析对比上述几种技术的特点，提出在现阶段可靠性和经济性较高的隔离开关分合位置辅助判断技术。

1 基于微动开关的辅助判断技术

微动开关可通过机械式接点通断输出隔离开关分合位置，基本原理是外部机械力通过按压驱动杆将力作用于动作簧片上，当动作簧片位移到临界点时产生瞬时动作，使动作簧片末端的动触点与定触点快速接通或断开。

户外式微动开关一般安装在隔离开关连杆运动部件分、合行程两端，考虑到户外环境条件复杂，会为微动开关加装防雨罩以确保微动开关的可靠动作，对于GIS设备微动开关一般安装于机构箱内部机构的旋转轴上。微动开关无需供电，采用电缆与测控装置（或智能终端）相连，作为硬接点开入信号直接接入变电站监控系统，不需要额外搭建系统[3]，如图1所示。

图1 微动开关的典型接入方式

2 基于传感器的辅助判断技术

在工程实践中，压力传感器、姿态传感器、接近开关（敏态传感器）等技术均属于传感器类辅助判断技术。该技术的基本原理是利用装设在隔离开关机械转动部分的传感器采集特定特征量（形变、角度、加速度、磁场、光强、超声波等），并传送至接收装置，经处理分析后输出隔离开关分合位置。

2.1 压力传感器

压力传感器由全桥应变片与特制的结构组成，通过金属结构壁的弹性变化引起应变片电阻的变化，通过采集电阻特征量的变化值，从而达到判断动触头运动是否到位的目的，一般安装在隔离开关两侧的触指和导电壁之间[4]。

压力传感器的典型接入方式如图2所示，其采集的特征量由布置在隔离开关附近的高电位采集单元以无线的方式传输至接收装置（综合IED），接收装置处理分析后得到该隔离开关的分合状态，并发送至变电站监控系统。其中，协调器起到无线接收和加密的功能。

图2 压力传感器的无线组网结构

2.2 姿态传感器

姿态传感器是基于MEMS（微机电系统）技术的高性能三维运动姿态测量系统，它由三轴角度传感器、三轴加速度计、三轴磁力计、高性能处理器（MCU）、电源电路等组成。角度传感器用于测量设备自身的旋转运动、加速度计用于测量设备的受力情况、磁力计用于解算设备与北的夹角，通过计算上述三个特征量，可以更精确的检测设备的方向、摇晃、单击、双击、下落、倾斜、运动、定位、冲击或振动等运动[5]，如图3所示。对于户外隔离开关，姿态传感器安装在转轴或拐臂处，而GIS设备的姿态传感器一般安装在机构箱内的电动机构的旋转部分。

图3 姿态传感器内部结构示意图

姿态传感器通过电缆把角度传感器、加速度计、磁力计采集的特征量发送给每个隔离开关间隔的接收装置，由接收装置处理分析后得出隔离开关分合位置，作为开入信号接入相应测控装置（智能终端），典型接入方式如图4所示。

图4 姿态传感器接入监控系统的典型结构

2.3 接近开关（敏态传感器）

接近开关是一种无需与运动部件进行机械直接接触就可以动作的传感器，当物体接近开关的感应面到动作距离时，不需要机械接触及施加任何压力即可使接近开关输出变位信号，从而判断隔离开关的分合位置。其核心是敏态传感器，当有物体移向接近开关，并接近到一定检出距离时，敏态传感器进行“感知”并输出变位信号。根据敏态传感器的类型不同，可以把目主流的接近开关分为磁感应接近开关、光电式接近开关、超声波接近开关。

1）磁感应接近开关：磁感应式接近开关由运动的无源永磁部分（磁钢）和固定的有源信号磁感应传感器组成，信号感应部分包括磁感应器件干簧管、微处理芯片等。干簧管是一种磁敏位移传感器，基本形式是将两片磁簧片密封在玻璃管内，中间间隔有一小空隙，当外来磁场时将使两片磁簧片接触导通，当磁体被拉到远离干簧管时，干簧管开关将返回到其原来的位置[6]。磁钢一般安装在隔离开关转轴或者拐臂等运动部分，对应的磁感应传感器则固定在分合位置的限位处。

2）光电式接近开关：光电式接近开关的核心是光敏传感器[7]，它把发射端和接收端之间光的强弱变化转化为电流的变化以达到检测运动对象是否达到预定位置的目的。光电接近开关的敏传感器安装在隔离开关分、合位的到位处，检测板安装在隔离开关的连杆或者转轴部分，随隔离开关分合一起运动，当检测板接近分（合）位置处的光敏传感器时，检测到光强的变化，从而输出相应到位信号。

3）超声波接近开关：超声波接近开关是用于检测物体间距离然后做出相应动作的一种传感器，对脏物、环境光线或噪声不敏感，其敏态传感器是超声探头。超声波接近开关只借助于空气介质进行工作，可以检测可反射超声波的任何物体。超声探头循环发射超声波脉冲，这些脉冲被物体反射后，所形成的反射波被接收并转换成一个电信号，分析接收装置对电信号进行计算后就可得到物体间的距离。超声探头一般装设在隔离开关的连杆的运动部分，分析装置固定在分合位置的到位处，通过采集超声探头发出的声波脉冲来检测隔离开关的分合到位情况。

上述3种接近开关的典型接入方式基本一致，均由传感器负责特征量（形变、角度、加速度、磁场、光强、超声波等）的采集，通过电缆或者无线通信的方式发送至接收装置，接收装置对特征量进行处理和分析后得出隔离开关分合状态，并且通过电缆以开入信号的方式传给测控装置（或智能终端）来接入变电站监控系统，不需要搭建额外系统，如图5所示。

图5 接近开关的典型接入方式

3 视频图像识别的辅助判断

由摄像头拍摄隔离开关实时运行状态，把相关对象的视频图像传输至变电站视频图像处理服务器，基于模糊识别、深度学习、图像识别等算法，通过分析隔离开关相关部位特征参量，综合得出隔离开关分合位置状态。

要实现摄像头对隔离开关状态的准确捕捉，摄像头类型和布点方案的选择需结合现场实际决定[8]，根据现场实际情况，供视频图像主机分析处理的视频图像除了来源于固定式摄像头之外，还可来源于巡视机器人、轨道机器人等视频源[9-10]。布置在隔离开关附近的摄像头通过有线或者无线的方式把视频图像传输至变电站视频图像处理服务器，经识别算法处理后输出隔离开关位置状态，根据开关位置结果的输出形式，视频图像识别技术的典型结构一般有硬接点输出和经反向隔离装置输出两种形式。硬接点输出是指，视频图像识别服务器得到隔离开关分合位置结果后，通过I/O开出装置无源硬接点输出给I区的测控装置，最终接入变电站监控系统。经反向隔离输出是指，视频图像识别服务器得到隔离开关分合位置结果后，通过反向隔离装置输出至变电站监控系统，但由于反向隔离装置的通信协议与站控层不同，所以需要在隔离装置和监控系统间加装规约转换器。

4 位置辅助判断技术的对比

基于对上述三大类隔离开关分合位置辅助判断技术基本原理、安装方式、典型接入方式的研究，分析对比上述技术的主要特点如下：

1）微动开关的特点是元件可靠、原理简单、性价比高。由于微动开关无需供电，直接以电缆与监控系统连接即可完成分合位置采集，故可靠性较高，且以云南电网运行检修人员的现有技术水平可以独立完成微动开关的安装、调试、更换、维护工作。

2）传感器类技术的特点是技术先进、原理复杂、安装维护不方便。只要能够正确采集和处理相关特征量，该技术可以准确识别隔离开关的分合位置。但需考虑的实际情况是，传感器需要供电，且在隔离开关所在间隔需要部署相应的接收装置用于接收传感器采集的特征量用于处理计算以输出分合位置结果，若供电、传感器、接收装置任意环节出现故障，都将影响双确认结果。

3）视频图像识别技术的特点是兼顾远方巡视要求、系统复杂、成本较高、自动识别准确度不高。其准确度依赖于光感器件成像质量和图像识别算法，现阶段由于某些环境下成像质量不高以及识别算法不成熟，造成自动识别准确度不高。

综上可得，相较其他两类技术，微动开关是现阶段可靠性和经济性较高的隔离开关分合位置辅助判断技术，具体比选情况如表1所示。

表1 隔离开关位置辅助判断技术比选情况

5 结束语

在电网公司数字化转型的工作要求中，变电站程序化操作将作重点推广和应用，作为其关键技术之一的隔离开关分合位置辅助判断技术也将进一步得到研究和发展。比如，随着变电站远方巡视技术研究的深入，以及视频图像识别算法准确度和复杂场景适应性的提高，基于视频图像识别的辅助判断技术或将成为另一种可实用化的主要技术。当然，要提高变电站程序化操作的成功率，最根本的还是要从提高一次设备的可靠性入手，从根本上消除隔离开关分合不到位的风险。